CN103528714B - 集成cmos温度传感器的温度校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成CMOS温度传感器的单点温度校准的装置及方法。该装置包括集成CMOS温度传感器、数据处理单元、斜率寄存器、截距寄存器、温度值寄存器、解码器以及电流调整寄存器。本发明不需要外加电压源，只需要一个温度测试点就可提高温度校准精度，校准速度快，不增加外围电路，因此大大降低了测试成本。

Description

集成CMOS温度传感器的温度校准装置和方法

技术领域

本发明涉及集成CMOS温度传感器，更具体地，是一种集成CMOS温度传感器的温度校准装置和方法。

背景技术

如图1所示，集成CMOS温度传感器利用CMOS工艺中的寄生PNP三极管Q1、Q2及Q3作为感温元件产生V_BE3和ΔV_BE(V_BE2-V_BE1)两个与温度相关的电压信号，其中用于产生V_BE3电压的电流是可调电流I_TRIM，V_BE3电压随温度升高而减小，具有负温度特性；ΔV_BE电压用两个偏置电流为1：P的PNP管产生，ΔV_BE随温度升高而增大，具有正温度系数。结合图2，温度的读出值T_OUT可用一个与温度线性相关的变量αΔV_BE（V _PTAT）相对一个与温度无关的常量V_BE3的线性关系αΔV_BE+V_BE3（V_REF）求得。

然而，由于工艺漂移和芯片封装，会造成V_BE3随温度的变化率而产生变化，从而导致温度读出值随温度的变化斜率偏离理想值，从而影响温度传感器的温度读出值精度。

发明内容

为了解决CMOS温度传感器温度读出值随温度的变化斜率偏离理想值而导致精度降低的问题，本发明提出了一种集成CMOS温度传感器的单点温度校准装置及方法。

本发明的集成CMOS温度传感器的温度校准装置，包括集成CMOS温度传感器，该集成CMOS温度传感器包括：

第一温度表征量输出电路，用于根据第一输入电流及该第一输入电流的倍数，输出第一温度表征量；

第二温度表征量输出电路，用于根据第二输入电流，输出第二温度表征量，该第一温度表征量和该第二温度表征量决定一个温度系数，该CMOS温度传感器的温度读出值与该温度系数呈线性关系；

该温度校准装置还包括：

斜率寄存器，用于寄存该线性关系中的斜率默认值；

截距寄存器，用于寄存该线性关系中的截距默认值；

数据处理单元，其与该集成CMOS温度传感器、该斜率寄存器和该截距寄存器相连接，用于根据该线性关系，确定所述温度读出值；

温度值寄存器，其与该数据处理单元相连接，用于寄存所述温度读出值；

电流调整寄存器，用于寄存电流调整参数；

解码器，其与该电流调整寄存器和该CMOS温度传感器相连接，用于对该电流调整参数进行解码，并利用解码后的电流调整参数对该第二输入电流进行调整。

本发明用于集成CMOS温度传感器的单点温度校准方法，包括如下步骤：

S100，确定该线性关系的斜率默认值和截距默认值，并确定一个电流调整参数默认值，该电流调整参数默认值经过解码后，用于控制所述第二输入电流；

S200，选取一个测温点，根据该线性关系得到该测温点下的该温度读出值；

S300，根据该测温点和该温度读出值，对该电流调整参数默认值进行调整，直至该测温点和该温度读出值相等。

本发明不需要外加电压源，只需要一个温度测试点就可在-55℃～125℃温度范围内将温度传感器校准到±0.2℃的精度，校准速度快，不增加外围电路，因此大大降低了测试成本。

附图说明

图1为感温元件组成的CMOS温度传感器图；

图2为V_BE1、V_BE2、V_BE3和ΔV_BE的温度特性示意图；

图3为温度传感器温度读出值随温度变化斜率的变化示意图；

图4为本发明用于集成CMOS温度传感器的温度校准装置的组成示意图；

图5为利用温度校准装置进行温度校准的方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置及方法的组成结构或步骤以及工作原理进行详细说明。

结合图3，V_BE3的负温度系数随I_TRIM变化而变化。当I_TRIM变大时电压V_BE3随温度变化的斜率的绝对值变小，由于αΔV_BE直线斜率只与Q1和Q2的电流比值相关，当电流比值1：P不变的情况下αΔV_BE直线斜率不变，因此V_REF＝V_BE3+αΔV_BE随温度变化斜率为正值，由此得到的温度传感器温度读出值随温度变化斜率小于1。当I_TRIM变小时电压V_BE3随温度变化的斜率的绝对值变大，由于αΔV_BE直线斜率只与Q1和Q2的电流比值相关，当电流比值1：P不变的情况下αΔV_BE直线斜率不变，因此V_REF＝V_BE3+αΔV_BE随温度变化斜率为负值，由此得到的温度传感器温度读出值随温度变化斜率大于1。由上面分析可知，可以通过调整I_TRIM的大小校准集成CMOS温度传感器。

进一步地用比例值μ作为变量（温度系数），其中，

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{\mathrm{\α\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}+V_{\mathrm{BE}}};$ (公式1)

通过以下线性方程可以得到温度读出值：

T_OUT＝A.μ+B (公式2)

其中A≈680,B≈280，T_OUT是温度读出值。

基于以上原理，本发明提出了一种新的温度校准装置和方法。如图4所示，为本发明的用于CMOS温度传感器的温度校准装置的组成示意图，其包括CMOS温度传感器110、数据处理单元160、斜率寄存器140、截距寄存器150、温度值寄存器170、解码器120以及电流调整寄存器130。

具体地，CMOS温度传感器110由第一温度表征量输出电路111和第二温度表征量输出电路112构成。其中，第一温度表征量输出电路111用于根据第一输入电流（如图1所示的I）及该第一输入电流的倍数（PI），输出第一温度表征量ΔV_BE；第二温度表征量输出电路112用于根据第二输入电流I_TRIM，输出第二温度表征量V_BE3，如上所述，该第一温度表征量ΔV_BE和该第二温度表征量V_BE3决定一个温度系数μ（参考公式1），该CMOS温度传感器的温度读出值与该温度系数呈线性关系（如公式2所示）。

常规地，第一温度表征量输出电路111包括并联的第一三极管1111（Q1）和第二三极管1112（Q2），并且该第一三极管1111（Q1）连接有第一镜像电流源，该第二三极管1112（Q2）连接有第二镜像电流源。如图所示，第一镜像电流源产生第一输入电流I，第二镜像电流源产生第一输入电流的倍数PI。

第二温度表征量输出电路112包括第三三极管1121（Q3），该第三三极管1121连接有第三镜像电流源。第三镜像电流源产生可调节的电流I_TRIM。

进一步地，CMOS温度传感器110和数据处理单元160相连接，其具有一个温度系数μ，并输出温度读出值T_OUT，该温度读出值T_OUT与该温度系数μ为预定线性关系（如公式2所示）。如上所述，该温度系数为一个与CMOS温度传感器110内的两个电压信号V_BE3和ΔV_BE相关的变量（如公式1所示）。

在该实施方式中，CMOS温度传感器110内的第一温度表征量输出电路111和第二温度表征量输出电路112可以是常规的由CMOS工艺中的寄生PNP三极管作为感温元件形成的集成CMOS温度传感器。并且，数据处理单元160可以是任何能够进行线性关系运算和输出的处理装置，包括中央处理器、数字信号处理器、专用可编程逻辑芯片等。在该实施方式中，数据处理单元160为微处理器。

斜率寄存器140和数据处理单元160相连接，用于寄存斜率默认值。截距寄存器150和数据处理单元160相连接，用于寄存截距默认值。

数据处理单元160与集成CMOS温度传感器110、斜率寄存器140和截距寄存器150相连接，用于根据公式2所示的线性关系，确定温度读出值T_OUT。

温度值寄存器170与数据处理单元160相连接，用于寄存温度读出值T_OUT。

电流调整寄存器130用于寄存电流调整参数C。并且，解码器120与电流调整寄存器130和该CMOS温度传感器相连接，用于对电流调整参数C进行解码，并利用解码后的电流调整参数对第二输入电流I_TRIM进行调整。解码器120的输出是一个可以调整I_TRIM大小的控制信号。该控制信号的大小可与I_TRIM呈线性关系。

在该发明中，只需对单个测温点T_W1进行确定，即可完成对温度传感器的校准。即在单个实际测温点T_W1下，CMOS温度传感器110经由数据处理单元160计算，根据线性关系，会产生一个温度读出值T1，然后，对电流调整参数C进行调整，从而使温度读出值逐渐接近并等于测温点温度T_W1。

以下对利用该校准装置进行校准的方法进行说明。结合图4，如上所述，该温度校准电路中的CMOS温度传感器110由第一温度表征量输出电路111和第二温度表征量输出电路112构成。其中，第一温度表征量输出电路111用于根据第一输入电流（如图1所示的I）及该第一输入电流的倍数（PI），输出第一温度表征量ΔV_BE；第二温度表征量输出电路112用于根据第二输入电流I_TRIM，输出第二温度表征量V_BE3，如上所述，该第一温度表征量ΔV_BE和该第二温度表征量V_BE3决定一个温度系数μ（参考公式1），该CMOS温度传感器的温度读出值与该温度系数呈线性关系（如公式2所示）。

并且，参考图4，如上所述，在本发明的一个实施方式中，常规地，第一温度表征量输出电路111包括并联的第一三极管1111（Q1）和第二三极管1112（Q2），并且该第一三极管1111（Q1）连接有第一镜像电流源，该第二三极管1112（Q2）连接有第二镜像电流源。如图所示，第一镜像电流源产生第一输入电流I，第二镜像电流源产生第一输入电流的倍数PI；第二温度表征量输出电路112包括第三三极管1121（Q3），该第三三极管1121连接有第三镜像电流源。第三镜像电流源产生可调节的电流I_TRIM。

如图5所示，是该方法的具体流程图，其总体上包括步骤S100-S300。以下结合图4、5，对各步骤进行具体描述。

在步骤S100中，确定该线性关系的斜率默认值A和截距默认值B，并确定一个电流调整参数默认值C，该电流调整参数默认值C经过解码后，用于控制第二输入电流I_TRIM。

如上述公式2所示，该预定线性关系为：

T_OUT＝A.μ+B；

其中，T_OUT为实际温度输出值变量，μ为温度表征预定变量，A为斜率默认值，B为截距默认值。A=680，B=280，原则上此时填入A和B寄存器值可以是任意值，但为校准方便一般取电路仿真值。

从上可以看出，T_OUT和μ的预定线性关系由A，B确定。如上所述，斜率默认值和截距默认值可分别寄存在斜率寄存器140和截距寄存器150内。

在步骤S200中，选取一个测温点T_W1，根据该线性关系得到该测温点下的该温度读出值T1。

测温点T_W1可以是CMOS温度传感器有效输出温度内的任意温度值，例如图3中所示的T_W1=25℃。并且，根据公式1中预定线性关系中的斜率默认值A和截距默认值B，计算该测温点下的温度读出值T1。

在步骤S300，根据该测温点和该温度读出值，对该电流调整参数默认值进行调整，直至该测温点和该温度读出值相等。

在调整时，如果T1＞T_W1，则通过电流调整寄存器C加大I_TRIM，直到T1＝T_W1完成温度传感器校准，电流调整寄存器C中的值为校准值；如果T1＜T_W1，则通过电流调整寄存器C减小I_TRIM，直到T1＝T_W1完成温度传感器校准，电流调整寄存器C中的值为校准值。由此，完成对温度传感器的校准。

综上所述，本发明的集成CMOS温度传感器的温度校准装置和方法，不需外加电压源，只要一个温度测试点就可在-55℃～125℃温度范围内将温度传感器校准到±0.2℃的精度，校准速度快，不增加外围电路，因此大大降低了测试成本。

Claims (5)

1.一种集成CMOS温度传感器的温度校准装置，包括CMOS温度传感器，该CMOS温度传感器包括：

第一温度表征量输出电路，用于根据第一输入电流及该第一输入电流的倍数，输出第一温度表征量；

第二温度表征量输出电路，用于根据第二输入电流，输出第二温度表征量，该第一温度表征量和该第二温度表征量决定一个温度系数，该CMOS温度传感器的温度读出值与该温度系数呈线性关系；

其特征在于，该温度校准装置还包括：

斜率寄存器，用于寄存该线性关系中的斜率默认值；

截距寄存器，用于寄存该线性关系中的截距默认值；

数据处理单元，其与该集成CMOS温度传感器、该斜率寄存器和该截距寄存器相连接，用于根据该线性关系，确定所述温度读出值；

温度值寄存器，其与该数据处理单元相连接，用于寄存所述温度读出值；

电流调整寄存器，用于寄存电流调整参数；

解码器，其与该电流调整寄存器和该CMOS温度传感器相连接，用于对该电流调整参数进行解码，并利用解码后的电流调整参数对该第二输入电流进行调整。

2.根据权利要求1所述的集成CMOS温度传感器的温度校准装置,其特征在于，所述数据处理单元为微处理器。

3.根据权利要求1或2所述的集成CMOS温度传感器的温度校准装置，其特征在于，

所述第一温度表征量输出电路包括并联的第一三极管和第二三极管，并且该第一三极管连接有第一镜像电流源，该第二三极管连接有第二镜像电流源；

所述第二温度表征量输出电路包括第三三极管，该第三三极管连接有第三镜像电流源。

4.一种集成CMOS温度传感器的温度校准方法，该集成CMOS温度传感器包括：第一温度表征量输出电路，用于根据第一输入电流及该第一输入电流的倍数，输出第一温度表征量；第二温度表征量输出电路，用于根据第二输入电流，输出第二温度表征量，该第一温度表征量和该第二温度表征量决定一个温度系数，该CMOS温度传感器的温度读出值与该温度系数呈线性关系；其特征在于，该方法包括以下步骤：

S100，确定该线性关系的斜率默认值和截距默认值，并确定一个电流调整参数默认值，该电流调整参数默认值经过解码后，用于控制所述第二输入电流；

S200，选取一个测温点，根据该线性关系得到该测温点下的该温度读出值；

S300，根据该测温点和该温度读出值，对该电流调整参数默认值进行调整，直至该测温点和该温度读出值相等。

5.根据权利要求4所述的集成CMOS温度传感器的温度校准方法，其特征在于，

所述第一温度表征量输出电路包括并联的第一三极管和第二三极管，并且该第一三极管连接有第一镜像电流源，该第二三极管连接有第二镜像电流源；

所述第二温度表征量输出电路包括第三三极管，该第三三极管连接有第三镜像电流源。